Резонансный блок питания. Резонансный источник питания LLC: принцип работы и преимущества

Как работает резонансный преобразователь LLC. Какие преимущества дает использование резонансной топологии LLC в источниках питания. Почему LLC-преобразователи становятся все более популярными в современной силовой электронике.

Что такое резонансный преобразователь LLC?

Резонансный преобразователь LLC — это разновидность импульсного источника питания, в котором используется резонансный контур для снижения коммутационных потерь и повышения эффективности. Основными компонентами LLC-преобразователя являются:

• Силовые ключи (транзисторы)
• Резонансный бак (резонансная индуктивность L_r, резонансная емкость C_r и индуктивность намагничивания L_m)
• Трансформатор
• Выпрямитель

Название «LLC» происходит от наличия двух индуктивностей (L) и одной емкости (C) в резонансном контуре. Этот резонансный бак формирует синусоидальный ток, что позволяет реализовать мягкое переключение силовых ключей.

Принцип работы резонансного преобразователя LLC

Работа LLC-преобразователя основана на следующих ключевых принципах:

1. Силовые ключи преобразуют входное постоянное напряжение в прямоугольные импульсы высокой частоты.
2. Резонансный бак фильтрует эти импульсы, формируя синусоидальный ток.
3. Трансформатор передает энергию на вторичную сторону, обеспечивая гальваническую развязку.
4. Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный на выходе.

Ключевым элементом является резонансный бак, который создает условия для мягкого переключения транзисторов. Это позволяет значительно снизить коммутационные потери.

Преимущества топологии LLC

Использование резонансной топологии LLC дает ряд существенных преимуществ:

• Высокий КПД во всем диапазоне нагрузок за счет мягкого переключения
• Возможность работы на высоких частотах (сотни кГц)
• Низкий уровень электромагнитных помех
• Компактные размеры трансформатора и магнитных компонентов
• Широкий диапазон входных напряжений

Эти преимущества делают LLC-преобразователи привлекательными для применения в современной силовой электронике, особенно в устройствах с высокими требованиями к эффективности и плотности мощности.

Режимы работы LLC-преобразователя

LLC-преобразователь может работать в нескольких режимах в зависимости от соотношения рабочей частоты и резонансной частоты контура:

• Режим ниже резонанса (ZVS режим) — обеспечивает мягкое включение транзисторов
• Резонансный режим — максимальная эффективность передачи энергии
• Режим выше резонанса (ZCS режим) — обеспечивает мягкое выключение транзисторов

Выбор оптимального режима работы зависит от требований конкретного приложения. Контроллер LLC обычно настраивается на работу вблизи резонансной частоты для достижения максимального КПД.

Области применения LLC-преобразователей

Благодаря своим преимуществам, резонансные преобразователи LLC находят применение в различных областях:

• Зарядные устройства для электромобилей
• Серверные и телекоммуникационные источники питания
• LED-драйверы
• Бытовая электроника (телевизоры, ПК и др.)
• Промышленные источники питания

Особенно эффективно применение LLC-топологии в устройствах средней и высокой мощности (от сотен ватт до нескольких киловатт), где требуется высокий КПД и компактные размеры.

Проектирование LLC-преобразователей

При разработке LLC-преобразователя необходимо учитывать следующие ключевые аспекты:

• Выбор резонансной частоты и частоты переключения
• Расчет параметров резонансного бака (L_r, C_r, L_m)
• Проектирование трансформатора с учетом индуктивности рассеяния
• Выбор силовых ключей с малыми потерями
• Разработка схемы управления и защиты

Современные производители микросхем предлагают специализированные контроллеры для LLC-преобразователей, что значительно упрощает процесс проектирования.

Заключение

Резонансные преобразователи LLC представляют собой перспективное решение для создания высокоэффективных источников питания. Несмотря на более сложную топологию по сравнению с классическими импульсными преобразователями, LLC-схемы обеспечивают существенные преимущества в плане КПД, уровня электромагнитных помех и массогабаритных показателей. С развитием элементной базы и методов проектирования, применение LLC-топологии становится все более распространенным в современной силовой электронике.

рабочие точки и рабочие режимы

Данная статья является четвертой в серии публикаций, посвященных LLC-преобразователям. Эти статьи написаны для того, чтобы помочь разобраться с LLC-схемой даже тем, у кого нет опыта разработки, моделирования и анализа импульсных источников питания. Обратите внимание на список литературы, который постоянно пополняется. После каждой публикации приводятся только те ссылки, которые используются в конкретной статье. Полный список литературы поможет по «кусочкам» собрать всю картину работы этой сложной схемы.

До сих пор мы рассматривали LLC-конвертер как преобразователь, который формирует постоянное выходное напряжение с помощью выпрямителя и конденсатора. Статья «Резонансные LLC-преобразователи. Часть первая: Введение» была посвящена объяснению этапов преобразования энергии в LLC-схеме. В обзоре «Резонансные LLC-преобразователи. Часть вторая: от прямоугольных импульсов к синусоидальным сигналам» рассказывалось, как создать синусоидальную волну, используя прямоугольный сигнал традиционного импульсного источника питания.

В статье «Резонансные LLC-преобразователи. Часть третья: работа трансформаторов» была объяснена роль трансформатора в LLC-преобразователе. В третьей части также показано, как получить эквивалентную схему LLC за счет приведения выходной нагрузки к первичной обмотке трансформатора.

Потребовалось три статьи для того, чтобы подойти к уравнению усиления LLC-преобразователя и попытаться объяснить режимы его работы. LLC-преобразователь должен работать на резонансной частоте, создавая синусоидальный ток и поддерживая выпрямительные диоды в режиме непрерывного тока. Как указывалось ранее, такой подход отличается от работы традиционного импульсного преобразователя, который предполагает накопление энергии в индуктивности. Уровень пульсаций на выходе обычного импульсного источника питания будет меньше, если индуктивность работает в режиме непрерывных токов CCM. Чтобы избежать путаницы, еще раз подчеркнем, что режим непрерывных токов в LLC относится к току выпрямительных диодов.

На рисунке 1 показан желаемый синусоидальный сигнал на выходе LLC-схемы. В реальности на входе LLC присутствует не синусоидальный, а прямоугольный сигнал. В статье «Резонансные LLC-преобразователи. Часть вторая» объяснялось, как из прямоугольного сигнала можно получить синусоидальный сигнал с помощью резонансной схемы. Прямоугольный сигнал формируется полумостовым инвертором из постоянного напряжения, как это было показано в статье «Резонансные LLC-преобразователи. Часть первая». Наконец, в статье «Резонансные LLC-преобразователи. Часть третья» были даны разъяснения относительно импедансов различных составляющих схемы: индуктивности рассеяния трансформатора, индуктивности намагничивания и сопротивления нагрузки.

Рис. 1. Делители напряжения

Коэффициент усиления определяется импедансом делителя напряжения, представленном на рисунке 1а):

Vo = (Vin x X2)/ (X1 + X2),

где, в соответствии с рисунком 3,

X2 = XLm || Rac и X1 = XCr + XLr.

В большинстве публикаций по данной теме обычно сразу переходят к уравнению коэффициента усиления LLC-конвертера и его зависимости от частоты. В данной статье используется иной подход и объясняется, как именно переменный ток передается на вторичную обмотку трансформатора. На рисунке 2 показан трансформатор T1 с индуктивностью намагничивания Lm. Наличие Lm усложняет понимание принципа действия LLC-схемы. Попробуем устранить возникшие «трудности».

Необходимо обеспечить протекание через Lm тока намагничивания, достаточного для правильной работы трансформатора. Переменная составляющая тока передается на вторичную обмотку T1.

Рис. 2. Резонансный DC/DC-преобразователь

В схеме присутствует ток намагничивания, протекающий через индуктивность намагничивания Lm, и переменный ток первичной обмотки трансформатора, протекающий через резонансную цепочку. Это разные токи, которые имеют решающее значение для функционирования тока LLC-схемы. Намагничивающий ток треугольной формы рассчитывается так же, как и в случае традиционного импульсного преобразователя:

намагничивающий ток di/ di = Vprim/ Lm,

где Vprim – это приведенное выходное напряжение постоянного тока.

Теперь нам потребуются знания о работе трансформатора. Для правильной передачи энергии трансформатору необходим ток намагничивания. Когда выходной диод открыт, постоянное выходное напряжение отражается в первичную обмотку, и через индуктивность намагничивания протекает ток треугольной формы. Резонансный контур пытается «создать» переменный ток. Этот переменный синусоидальный ток протекает через первичную обмотку трансформатора.

Для определения тока намагничивания проще использовать постоянное выходное напряжение, а не импульсное входное напряжение, которое дополнительно фильтруется на первичной стороне трансформатора. На рисунке 3 показано разделение токов в LLC-преобразователе.

Рис. 3. Разделение токов резонанса и намагничивания в LLC-преобразователе

Обратите внимание, что ток намагничивания гораздо меньше, чем резонансный ток. В работах по данной теме током намагничивания часто пренебрегают и сразу переходят к определению резонансного тока LLC. Я считаю, что в подобных публикациях о токе намагничивания стоит рассказывать подробнее – это позволит лучше понять принцип работы преобразователя.

В завершение статьи наметим основные режимы работы LLC. В большинстве случаев LLC может рассматриваться как резонансная схема, включающая Lr – индуктивность рассеяния, Lm – индуктивность намагничивания и C – последовательный конденсатор. Это три основных элемента LLC-схемы. Как мы увидим в следующих публикациях, рабочая точка LLC требует рассмотрения индуктивности намагничивания не только как элемента резонансной схемы, но и как параметра трансформатора. В итоге уравнение усиления подразумевает три режима работы, которые мы проанализируем позже. Следующая глва посвящена уравнению усиления.

Предыдущие главы:

• Резонансные LLC-преобразователи. Часть первая: Вступление
• Резонансные LLC-преобразователи. Часть вторая: от прямоугольных импульсов к синусоидальным сигналам
• Резонансные LLC-преобразователи. Часть третья: работа трансформаторов

Литература

1. “Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power Systems”, Bo Yang Dissertation submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Electrical Engineering Fred C. Lee, Chairman Dushan Boroyevich Jason Lai Guo-Quan. Lu Alex Q. Huang September 12, 2003 Blacksburg, Virginia
   • Chapter 4 LLC Resonant Converter
   • Bo Yang Dissertation Appendices
2. “Basic Principles of LLC Resonant Half Bridge Converter and DC/Dynamic Circuit Simulation Examples”, On Semiconductor LLC Application Note AND9408/D
3. “RLC Resonant Circuits”, Andrew McHutchon April 20, 2013
4. The Series RLC Resonance Circuit
5. “Resonant LLC Converter: Operation and Design 250W 33Vin 400V out DesignExample“, AN2012-09, Sam Abdel-Rahman, Infineon Technologies North America (IFNA) Corp.
6. “Design Considerations for an LLC Resonant Converter” Fairchild Semiconductor Power Seminar 2007 Appendix A: White Papers; couldn’t get a website URL; suggest you Google the text in brackets [“Design Considerations for an LLC Resonant Converter” Fairchild Semiconductor Power Seminar 2007 Appendix A: White Papers]
7. “SIMULATION OF A SERIES HALF BRIDGE LLC RESONANT CIRCUIT”, ECE562: Power Electronics I COLORADO STATE UNIVERSITY Fall 2011
8. “230-V, 400-W, 92% Efficiency Battery Charger w/PFC and LLC for 36-V Power Tools” Texas Instruments Reference Design, TIDA-00355
9. Can you turn a square wave into a sine wave using a low-pass filter?, Signal Processing Stack Exchange is a question and answer site for practitioners of the art and science of signal, image and video processing
10. “Square Wave Signals”, Chapter 7 — Mixed-Frequency AC Signals, All About Circuits website
11. “Chapter 14 Transformers” C. Y. Lee, ISU EE
12. LLC Power Conversion Explained, Part 1: Introduction
13. LLC Power Conversion Explained, Part 2: Sine Wave from a Square Wave
14. LLC Power Conversion Explained, Part 3: Understanding transformers

Автор: Скотт Дейти Перевод: Вячеслав Гавриков, г. Смоленск

Разделы: Демонстрационные платы

Опубликовано: 02.07.2018

2.3. Принцип работы резонансного источника питания гармонического напряжения

Принцип работы устройства заключается в следующем.

При работе инвертора, питаемого от источника постоянного напряжения, в резонансном колебательном контуре возбуждаются гармонические колебания. Колебательный контур нагружен на повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к электродам лампы барьерного разряда через коаксиальную линию. Таким образом, на электроды лампы подается высоковольтное напряжение гармонической формы. Коаксиальная линия представляет собой дополнительную емкость, которая также участвовала в резонансном колебательном процессе. После нескольких осцилляций в колебательном контуре прерыватель запрещает работу инвертора. Колебания в резонансном контуре прекращаются, равно как на электродах лампы. При этом соответственно возбуждение лампы также прекращалось, благодаря чему происходило релаксация плазмы в газоразрядном промежутке. После некоторой паузы инвертор запускается снова и весь процесс повторяется. В результате на электродах лампы появляются пачки гармонических колебаний с паузами между пачками.

2.4. Конструкция эксилампы барьерного разряда

Исследование было проведено на двухбарьерной эксилампе коаксиального типа УФ-диапазона, заполненнойXeCl(200:1), которая была подключена через коаксиальную линию длинной 3 метра. Типичный спектр такой лампы представляет собой интенсивную полосу В — Х с максимумом на λ = 220 нм. Рабочая поверхность эксилампы составляет 100 мм, а общее давление газа 120 торр. Колба эксилампы изготовлена из полупрозрачного кварца. Так как эксилампа включалась на небольшие промежутки времени, то использование дополнительного охлаждения (водное, принудительное воздушное) не требовалось.

Глава 3. Эксперимент и обработка результатов

Для проведения эксперимента и достижения поставленных задач использовались стандартные методы регистрации тока и напряжения (клещи токовые, мультиметр), определения мощности излучения (фотоприемник HamamatsuH9535, цифровой осциллографTektronixTDS1001B),для определения характеристик колебательных контуровLCR-метрGwinstekLCR-78101G.

Основным методом исследования в работе является физический эксперимент, в ходе которого проводились измерение энергетических параметров эксилампы барьерного разряда через коаксиальную линию и измерение полного КПД системы (источник питания и лампа). Измерения проводились с использованием двух разных источников питания: резонансный источник питания гармонического напряжения и источник питания квазипрямоугольных импульсов.

3.1 Описание экспериментальной установки

На рис.29 показана блок-схема экспериментальной установки. Плотность мощности ультрафиолетового излучения эксилампы (4) измерялась фотоприемником (5), расположенным непосредственно на излучающей поверхности лампы. Для фиксации формы импульсов напряжения и тока использовался осциллограф (6).

Для подачи и регулировки напряжения на источники питания (2) использовался лабораторный трансформатор (ЛАТР) (1). Для определения тока на выходе ЛАТРа использовались токовые клещи (3).

Рис.29. Блок-схема экспериментальной установки. 1 — ЛАТР, 2 – источник питания, 3 – токовые клещи, 4 – эксилампа, 5 – фотоприемник, 6 — осциллограф , 7 – коаксиальная линия

Понимание работы LLC (часть I): силовые выключатели и резонансный резервуар | Артикул

Tomas Hudson

СКАЧАТЬ PDF

Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик – рассылка раз в месяц

Подписаться

Мы ценим вашу конфиденциальность электроники, потому что они могут соответствовать жестким требованиям к производительности, предъявляемым к современным конструкциям источников питания. LLC является одним из значительно большего семейства топологий резонансных преобразователей, все из которых основаны на резонансных резервуарах. Резонансные резервуары представляют собой цепи, состоящие из катушек индуктивности и конденсаторов, которые колеблются с определенной частотой, называемой резонансной частотой.

Поскольку они допускают более высокие частоты переключения (f _SW ) и сокращают потери при переключении, эти преобразователи постоянного тока в постоянный режим переключения часто используются в мощных и высокоэффективных приложениях. Резонансные преобразователи LLC идеально подходят для энергоснабжения чувствительных систем (например, высокотехнологичная бытовая электроника) или энергоемких операций (например, зарядка электромобилей).

Преобразователь LLC состоит из 4 блоков: силовые ключи, резонансный бак, трансформатор и диодный выпрямитель (см. рис. 1). Во-первых, силовые ключи MOSFET преобразуют входное постоянное напряжение в высокочастотный прямоугольный сигнал. Затем эта прямоугольная волна поступает в резонансный резервуар, который устраняет гармоники прямоугольной волны и выдает синусоидальную волну основной частоты. Синусоидальная волна передается на вторичную обмотку преобразователя через высокочастотный трансформатор, который увеличивает или уменьшает напряжение в зависимости от применения. Наконец, диодный выпрямитель преобразует синусоидальную волну в стабильный выходной сигнал постоянного тока.

Рис. 1. Принципиальная схема упрощенного LLC-преобразователя

Способность LLC-преобразователя поддерживать высокий КПД даже при очень высокой мощности обусловлена ​​его резонансной природой. Резонансная природа LLC-преобразователей обеспечивает мягкое переключение как на первичной, так и на вторичной стороне, повышая эффективность за счет снижения коммутационных потерь.

Кроме того, топология LLC экономит место на плате. Топологии LLC не имеют выходной катушки индуктивности, а это означает, что все катушки индуктивности можно легко интегрировать в единую магнитную структуру для экономии площади и затрат. Когда все индуктивные элементы цепи размещены в одной структуре, улучшается электромагнитная совместимость, так как проще и дешевле экранировать одну структуру, чем три.

Силовые переключатели

Силовые переключатели могут быть реализованы в топологиях полного моста или полумоста, и каждый из них имеет уникальную форму выходного сигнала (см. рис. 2).

Рис. 2. Топологии переключателей питания

Основное различие между этими топологиями заключается в том, что топологии полного моста генерируют прямоугольную волну без смещения постоянного тока и с амплитудой, равной входному напряжению (V _IN ). Полумостовая топология излучает прямоугольную волну, которая смещена на (V _IN /2) и, таким образом, имеет половину амплитуды полной мостовой волны.

У каждой топологии есть свой набор преимуществ и недостатков. Полномостовая топология требует большего количества транзисторов, что делает ее реализацию более дорогой. Кроме того, добавленные транзисторы имеют повышенное последовательное сопротивление (R _DS(ON) ), что может увеличить потери проводимости. С другой стороны, реализация полного моста снижает необходимый коэффициент трансформации трансформатора (N) вдвое, что минимизирует потери в меди в трансформаторе.

Полумостовая топология более экономична в реализации и имеет дополнительное преимущество, заключающееся в снижении среднеквадратичного значения тока через конденсатор примерно на 15 %, но при этом также увеличиваются коммутационные потери.

Принимая во внимание эти компромиссы, рекомендуется использовать полумостовую топологию переключателя мощности для приложений с мощностью менее 1 кВт и полный мост для приложений с более высокой мощностью.

Резонаторный резервуар

Резонаторный резервуар состоит из резонансного конденсатора (C _R ) и двух катушек индуктивности: резонансной катушки индуктивности (L _R ), включенной последовательно с конденсатором и трансформатором, и намагничивающей катушки индуктивности (L _M ), параллельно. Роль резервуара состоит в том, чтобы отфильтровать гармоники прямоугольной волны, выводя синусоиду основной частоты переключения на вход трансформатора.

Рисунок 3: Схема LLC-резервуара с первичной нагрузкой

Резонансный резервуар имеет коэффициент усиления, который изменяется в зависимости от частоты и нагрузки, приложенной к вторичной стороне (см. Рисунок 4). Конструкторы должны настроить эти параметры, чтобы обеспечить эффективную работу преобразователя в широком диапазоне нагрузок, задав коэффициент усиления бака выше 1 для всех значений нагрузки.

Рис. 4. Резонансная характеристика усиления в диапазоне нагрузок

Преобразователь LLC имеет широкий рабочий диапазон и высокий КПД благодаря двойным индукторам резонансного резервуара. Чтобы понять, как это работает, рассмотрим реакцию бака на тяжелые и легкие нагрузки в зависимости от индуктора.

На рис. 5 показано усиление резонансного резервуара для диапазона нагрузок, если резонансный резервуар состоит только из резонансного конденсатора и намагничивающей катушки индуктивности. При малых нагрузках отчетливо виден пик усиления резонансного резервуара. Однако усиление для тяжелой нагрузки не достигает пика — вместо этого он имеет затухающий отклик и достигает единичного усиления только на очень высоких частотах.

Рисунок 5: Характеристика усиления и схема для LC-контейнера с параллельным индуктором

Если резонатор состоит только из резонансного индуктора (L _R ) последовательно с резонансным конденсатором поведение другое. Усиление не превышает 1, но при самой большой нагрузке бак достигает единичного усиления намного быстрее, чем с параллельным индуктором.

Рис. 6. Характеристика усиления и схема для LC-резервуара с последовательным индуктором

За счет применения обоих индукторов в резонансном резервуаре результирующая характеристика усиления по частоте гарантирует, что преобразователь может адекватно реагировать на гораздо более широкий диапазон нагрузок — кроме того , он может обеспечить стабильное управление для всего диапазона нагрузки (см. рис. 4). Получившийся резервуар LLC имеет две резонансные частоты (f _R и f _M ), рассчитанные по уравнению (1) и уравнению (2) соответственно.

$$f_{R} = \frac {1}{2π \sqrt {L_{R} \times C_{R}}}$$ $$f_{M} = \frac {1}{2π \sqrt {L_{M}+L_{R} \times C_{R}}}$$

Отклик усиления резервуара зависит от трех параметров: нагрузки, нормализованной катушки индуктивности и нормализованной частоты.

Нагрузка выражается через добротность (Q), которая зависит от нагрузки, подключенной к выходу. Однако использование значения нагрузки не является точным, так как между выходом резонансного бака и нагрузкой находится трансформатор и выпрямитель (см. рис. 1). Следовательно, мы должны использовать первичное значение нагрузки, называемое R 92}{π} \times R_{O}$$ $$Q = \frac {\sqrt {L_{R}/C_{R}}}{R_{AC}}$$

Нормированная частота (f _N ) определяется как отношение между частотой переключения MOSFET (f _SW ) и резонансной частотой бака (f _R ). f _N можно рассчитать по уравнению (5):

$$f_{N} = \frac {f_{SW}}{f_{R}}$$

Нормализованная индуктивность (L _N ) выражается как отношение между резонансной и намагничивающей катушками индуктивности, оцененное с помощью (уравнение 6): 92}$$

Обратите внимание, что эти расчеты были выполнены с использованием анализа первой гармоники (FHA). Это применимо, потому что мы предполагаем, что LLC работает в пределах резонансной частоты (f _R ). Применяя анализ Фурье, вход резонансного резервуара представляет собой прямоугольную волну, состоящую из нескольких синусоид с разными амплитудами и частотами. Поскольку резонансный резервуар отфильтровывает все синусоидальные волны с частотами, отличными от основной частоты f _SW , мы можем игнорировать все волны, кроме основной синусоиды, что значительно упрощает наш анализ.

Мягкое переключение

Одной из популярных особенностей LLC-преобразователей является их способность к мягкому переключению.

Мягкое переключение направлено на снижение коммутационных потерь за счет координации с естественным подъемом и спадом тока, а также напряжения в цепи, чтобы гарантировать, что электронные переключатели включаются и выключаются в наиболее эффективных точках. Если переключение происходит, когда ток приблизительно равен нулю, это называется переключением при нулевом токе (ZCS). Если переключение происходит при низком напряжении, это называется переключением при нулевом напряжении (ZVS). Преобразователи LLC могут выполнять как ZVS, так и ZCS из-за их резонансной природы.

На рис. 7 показаны четыре основных режима работы LLC-преобразователя. Режим 1 и режим 3 показывают стандартную работу LLC, которая уже обсуждалась. В режиме 1 ток подается от источника в резонансный бак и во вторичную обмотку трансформатора (Q1 включен, а Q2 выключен). В режиме 3 оставшаяся мощность, хранящаяся в резонансном баке, передается на вторичную обмотку трансформатора с током, текущим в направлении, противоположном направлению, чем в режиме 1 (Q1 выключен, а Q2 включен). ZVS возникает в режиме 2 и режиме 4, когда оба переключателя выключены. В эти периоды ток протекает через внутренний диод транзистора (например, Q2 в режиме 2 или Q1 в режиме 4), что также называется холостым ходом. 9Рис. 7. Схема рабочего режима LLC Поскольку это происходит, когда оба сигнала затвора низкие, к тому времени, когда схема переходит из режима 2 в режим 3 или из режима 4 в режим 1, напряжение на транзисторе близко к нулю, что минимизирует коммутационные потери.

Рис. 8. Сигналы режима работы LLC

Заключение

Понимание того, как работает LLC-резонатор, имеет решающее значение при разработке LLC-преобразователя. Резонансные характеристики бака делают преобразователь LLC столь популярным, поскольку этот преобразователь может поддерживать эффективную и стабильную работу в широком диапазоне нагрузок и мощностей. Однако этот резонанс также заставляет разработчиков быть очень осторожными при расчете параметров схемы, поскольку характеристика усиления бака зависит от множества параметров, включая нагрузку и рабочую точку преобразователя (см. уравнение (7)).

Инструменты проектирования, такие как MPS LLC Designer, идеально подходят для ускорения проектирования LLC, позволяя пользователям быстро перебирать различные коэффициенты усиления и частоты и рассчитывать значения компонентов, необходимые для их проекта.

_______________________

Вы нашли это интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылка раз в месяц!

Технический форум

Получить техническую поддержку

ООО «Резонансные преобразователи» Поднимите планку энергоэффективности

Загрузите эту статью в формате PDF.

Импульсные источники питания (SMPS) известны своей превосходной эффективностью. И хотя они достигают значительного уровня эффективности, поиски ее дальнейшего повышения продолжаются. Одной из разработок, помогающих достичь этой цели, являются резонансные преобразователи LLC. В этих уникальных импульсных источниках питания используются методы резонансных цепей для уменьшения коммутационных потерь.

Однако, чтобы получить какие-либо выгоды от резонансных методов, требуется сложный контроллер. Теперь такие контроллеры доступны, и они обеспечивают дополнительное энергосбережение, что еще больше повышает эффективность.

Что за черт такой резонансный преобразователь LLC?

Переключающие транзисторы подвержены значительным потерям, возникающим во время включения и выключения. Когда транзистор закрыт, мощность не рассеивается. Когда транзистор открыт, его низкое сопротивление во включенном состоянии сводит рассеивание мощности к минимуму. Однако во время переключения транзисторы проходят через свою линейную область, где их сопротивление выше, что означает рассеивание мощности. К счастью, переходные периоды короткие. Сокращение времени переключения существенно снижает энергопотребление.

Время переключения определяется характеристиками транзистора, а также другими характеристиками схемы. Кроме того, имейте в виду, что резкие переходы фронта импульса вызывают переходные процессы, которые генерируют шум и электромагнитные помехи (ЭМП). Поэтому ключевой целью проектирования является сокращение времени переключения за счет использования более высокой частоты переключения. Хотя электромагнитные помехи по-прежнему возникают при более высоких скоростях переключения, наблюдается полезное снижение энергопотребления. Использование резонансных методов LLC может привести к желаемому снижению энергопотребления.

LLC, разумеется, относится к использованию двух индуктивностей (L) и конденсатора (C). Эта комбинация создает резонанс на частоте переключения. В результате переключающие транзисторы видят синусоиду и могут переключаться в точках пересечения нуля или вблизи нуля. Это приводит к уменьшению коммутационных потерь в транзисторах.

Преимущества этого пути заключаются в том, что он позволяет использовать более высокие частоты переключения, что, в свою очередь, уменьшает размер трансформаторов и фильтров (и связанных с ними компонентов), а также минимизирует рассеивание тепла переключающим транзистором и потребность в больших радиаторах. . Все эти преимущества достигаются при одновременном повышении общей эффективности схемы.

Резонанс Пример

1. В этой упрощенной версии LLC резонансного преобразователя постоянного тока последовательный резонанс зависит от резонансного конденсатора C _r и комбинации резонансных катушек индуктивности L _r и L _m . L _m — намагничивающая индуктивность первичной обмотки трансформатора.

На рис. 1 показан преобразователь постоянного тока, использующий резонансные методы. Полумостовые транзисторы Q1 и Q2 попеременно выключаются и включаются прямоугольными импульсами с коэффициентом заполнения 50%. Это создает входное напряжение, представляющее собой прямоугольную волну переменного тока, которая возбуждает цепь. Индуктор (L _r ) и конденсатор (C _r ) соединены последовательно с первичной обмоткой трансформатора. Индуктивность намагничивания первичной обмотки L _m включается последовательно с L _r , увеличивая общую последовательную индуктивность. Значения L и C выбраны так, чтобы они резонировали на частоте переключения. Резонансная частота определяется по известной формуле:

f _r = 1/2π √(LC)

Помните, что на резонансной частоте X _L отменяет X _C , оставляя только любое последовательное сопротивление для определения добротности цепи: сопротивление отраженной нагрузки.

В то время как приложенное напряжение представляет собой прямоугольную волну переменного тока, первичная цепь является резонансной и «звонит» или колеблется с резонансной частотой, а ток имеет синусоидальную форму.

Сигналы переключения на транзисторы синхронизированы таким образом, что время переключения происходит в точках пересечения нулевого напряжения или тока. При нулевом токе или минимальном токе ток транзистора равен нулю или очень мал, поэтому рассеиваемая мощность во время переходов включено-выключено равно нулю или минимально.

Цифровой контроллер для реализации LLC Resonant SMPS

Компания Texas Instruments UCC256301 представляет собой контроллер LLC, работающий в диапазоне частот от 35 кГц до 1 МГц. Он подходит для использования в цифровых телевизорах, электроинструментах, светодиодном освещении, адаптерах переменного и постоянного тока и других современных источниках питания, где эффективность является наиболее важной. Его функции и преимущества включают встроенный высоковольтный запуск, разрядку x-cap, надежную защиту от сбоев и уникальный метод управления.

Рисунок 2 показан LLC-резонансный преобразователь постоянного тока, использующий UCC256301. Обратите внимание на резонансные составляющие L _r , L _m и C _r . Также обратите внимание на вход сигналов VCR и ISNS на микросхему контроллера и обратную связь (FB) с выхода.

2. Этот практичный резонансный преобразователь LLC использует контроллер UCC256301. Показаны сигналы обратной связи от HHC к контроллеру на выводах ISNS, VCR и FB. (Источник: блог TI «Улучшите свою игру с резонансными преобразователями LLC»)

UCC256301 использует технику управления, называемую гибридным гистерезисным управлением (HHC), для улучшения переходной характеристики. Переходная характеристика относится к тому, как преобразователь LLC реагирует на быстрые изменения нагрузки. Чтобы избежать использования больших нагрузочных конденсаторов для минимизации изменений выходного напряжения, UCC256301 использует комбинацию методов обратной связи управления частотой и управления зарядом.

HHC также обеспечивает низкое энергопотребление в режиме ожидания 40 мВт без нагрузки, что отличает UCC256301 от других контроллеров.